CN117127966A - 随钻钻杆、钻具以及隧道地质超前探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种随钻钻杆、钻具以及隧道地质超前探测方法，随钻钻杆包括杆体、水压传感器以及摄像装置，杆体具有内周壁和外周壁，内周壁和外周壁之间形成有容置腔，外周壁设有第一探测区和第二探测区，第一探测区设有探测口，第二探测区包括可相对杆体沿内外方向活动的活动壁；水压传感器设于容置腔，并位于探测口，与探测口相适配，用于探测隧道内水压；摄像装置设于容置腔，且对应活动壁设置，摄像装置可沿内外方向活动，以作用活动壁活动，并活动于容置腔内外，用于在活动至容置腔外时拍摄隧道内环境；如此，结合了水压测量和图像拍摄两种勘察手段，实现对各种复杂多变的地质环境及不良地质带的勘测，提升隧道掘进过程中的安全性和时效性。

Description

随钻钻杆、钻具以及隧道地质超前探测方法

技术领域

本发明涉及地质勘探技术领域，具体涉及一种随钻钻杆、钻具以及隧道地质超前探测方法。

背景技术

在我国西南地区隧道工程建设过程中，往往需要穿越各种复杂多变的地质环境及不良地质带，其中岩溶地质条件是制约隧道施工的重要因素。对岩溶地区而言，岩溶的发育规模、发育深度和发育方向是有一定规律可寻的，可以通过钻探、物探和地质调绘等手段对其进行区域性的确定;但是在工程建设中，需要对某一点或某个桩位的岩溶发育情况，特别是岩溶的横向发育情况进行查明时，岩溶的发育规律就变得无规律可寻了，这也正是岩溶地区隧道掘进过程中的难点之所在。目前，国内外常用的隧道超前地质预报方法大致分为宏观地质分析法、TGP地震波法、地质雷达法、瞬变电磁法以及超前钻探法等。

但是现有的随钻钻具在出现岩溶、含水腔体、空腔等时，只能进行单一的测定，不仅耗费大量的时间，还大大增加了成本。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种随钻钻杆、钻具以及隧道地质超前探测方法，旨在解决上述问题。

为实现上述目的，本发明提出的一种随钻钻杆，用于隧道掘进过程中超前探测地质，所述随钻钻杆包括：

杆体，具有内周壁和外周壁，所述内周壁和所述外周壁之间形成有容置腔，所述外周壁设有第一探测区和第二探测区，所述第一探测区设有探测口，所述第二探测区包括可相对所述杆体沿内外方向活动的活动壁；

水压传感器，设于所述容置腔，并位于所述探测口，与所述探测口相适配，用于探测隧道内水压；以及，

摄像装置，设于所述容置腔，且对应所述活动壁设置，所述摄像装置可沿所述内外方向活动，以作用所述活动壁活动，并活动于所述容置腔内外，用于在活动至所述容置腔外时拍摄隧道内环境。

可选地，所述随钻钻杆还包括控制器，所述控制器分别与所述水压传感器和所述摄像装置电连接，用于接收所述水压传感器探测生成的水压信息和所述摄像装置探测生成的图像信息。

可选地，所述杆体沿其延伸方向具有探测端和控制端，所述探测端用于靠近钻头设置，所述水压传感器和所述摄像装置设于所述探测端，所述控制器设于所述控制端。

可选地，所述控制器通过导线与所述水压传感器、所述摄像装置电连接，且所述导线接头处设有绝缘胶布。

可选地，所述探测口处设有探测网，所述探测网上具有多个探测孔，且各所述探测孔的孔径小于或等于8mm。

可选地，所述容置腔内设置有挡水板，所述挡水板位于所述探测端和所述控制端之间，且沿所述杆体的周向延伸设置；

所述挡水板贯穿有连线孔，所述连线孔用于供所述导线穿插，所述连线孔与所述导线之间设有橡胶垫。

可选地，所述活动壁包括：

连接端，与所述外周壁相连接；以及，

活动端，可相对所述连接壁沿所述内外方向摆动；

所述容置腔内还设有驱动机构，所述驱动机构包括：

电动千斤顶，包括顶盖和电机，所述顶盖与所述摄像装置固定连接，所述电机与所述顶盖驱动连接，用于驱动所述顶盖沿内外方向活动，所述控制器与所述电机电连接；以及，

弹簧，设于所述容置腔内，且对应所述活动壁设置，所述弹簧沿内外方向延伸，所述弹簧的一端与所述外周壁固定连接，另一端与所述活动端固定连接。

可选地，所述第一探测区和所述第二探测区分别设有两个，两个所述第一探测区和两个所述第二探测区沿所述杆体的周向间隔分布，且两个所述第一探测区沿第一方向间隔分布，两个所述第二探测区沿第二方向间隔分布；

所述水压传感器设有两个，两个所述水压传感器与两个所述第一探测区一一对应设置；

所述摄像装置设有两个，两个所述摄像装置与两个所述第二探测区一一对应设置；

所述第一方向和所述第二方向在平面内相垂直。

本发明还提供一种钻具，包括：

随钻钻头，具有头端和尾端；以及，

随钻钻杆，所述随钻钻杆连接于所述随钻钻头的尾端；

其中，所述随钻钻杆包括：

杆体，具有内周壁和外周壁，所述内周壁和所述外周壁之间形成有容置腔，所述外周壁设有第一探测区和第二探测区，所述第一探测区设有探测口，所述第二探测区包括可相对所述杆体沿内外方向活动的活动壁；

水压传感器，设于所述容置腔，并位于所述探测口，与所述探测口相适配，用于探测隧道内水压；以及，

摄像装置，设于所述容置腔，且对应所述活动壁设置，所述摄像装置可沿所述内外方向活动，以作用所述活动壁活动，并活动于所述容置腔内外，用于在活动至所述容置腔外时拍摄隧道内环境。

本发明还提供一种隧道地质超前探测方法，采用上述的钻具，所述隧道地质超前探测方法包括：

将钻具的随钻钻头和部分随钻钻杆钻入掌子面，使得所述随钻钻杆的第一探测区和第二探测区位于所述隧道内的含水区；

通过所述随钻钻杆的水压传感器探测所述含水区的水压，得到所述隧道的水压信息；

驱动所述随钻钻杆内的摄像装置自杆体内活动至所述杆体外进行摄像，得到所述隧道内部环境的图像信息。

本发明的技术方案中，当所述杆体钻入隧道掌子面，且所述随钻钻杆的第一探测区和第二探测区位于所述隧道内的含水区时，所述隧道内的水体可进入所述水压传感器内检测水压，实现对所述含水区的水压测量，得到水压信息，又所述摄像装置沿所述内外方向活动，作用所述活动壁相对所述杆体活动形成一开口，并经所述开口活动于所述容置腔外，实现对所述隧道内部环境的拍摄，得到图像信息，根据所述水压信息和所述图像信息获取所述隧道内地质情况。本发明提供的所述随钻钻杆结合了两种勘察手段，适用于各种复杂多变的地质环境及不良地质带的勘测，能够提升隧道掘进过程中的安全性和时效性，满足现阶段岩溶区的勘察需求，在保证隧道高效率、低风险的情况下持续推进，且操作简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明提供的钻具的一实施例的结构示意图；

图2为图1中钻具的随钻钻杆的部分结构示意图；

图3为图2中随钻钻杆的的剖视图；

图4为图2中随钻钻杆的探测网的结构示意图；

图5为图2中随钻钻杆的第二探测区的结构示意图；

图6为本发明提供的一种隧道地质超前探测方法的流程示意图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……），则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

在我国西南地区隧道工程建设过程中，往往需要穿越各种复杂多变的地质环境及不良地质带，其中岩溶地质条件是制约隧道施工的重要因素。对岩溶地区而言，岩溶的发育规模、发育深度和发育方向是有一定规律可寻的，可以通过钻探、物探和地质调绘等手段对其进行区域性的确定;但是在工程建设中，需要对某一点或某个桩位的岩溶发育情况，特别是岩溶的横向发育情况进行查明时，岩溶的发育规律就变得无规律可寻了，这也正是岩溶地区隧道掘进过程中的难点之所在。目前，国内外常用的隧道超前地质预报方法大致分为宏观地质分析法、TGP地震波法、地质雷达法、瞬变电磁法以及超前钻探法等。

但是现有的随钻钻具在出现岩溶、含水腔体、空腔等时，只能进行单一的测定，不仅耗费大量的时间，还大大增加了成本。

鉴于此，本发明提供一种随钻钻杆100、钻具1000以及隧道地质超前探测方法。请参阅图1，所述钻具1000包括随钻钻头200以及随钻钻杆100，所述随钻钻头200具有头端和尾端，所述随钻钻杆100连接于所述随钻钻头200的尾端。

请参阅图1至图5，所述随钻钻杆100包括杆体1、水压传感器2以及摄像装置3，所述杆体1具有内周壁11和外周壁12，所述内周壁11和所述外周壁12之间形成有容置腔13，所述外周壁12设有第一探测区121和第二探测区122，所述第一探测区121设有探测口，所述第二探测区122包括可相对所述杆体1沿内外方向活动的活动壁1221；所述水压传感器2设于所述容置腔13，并位于所述探测口，与所述探测口相适配，用于探测隧道2000内水压；所述摄像装置3设于所述容置腔13，且对应所述活动壁1221设置，所述摄像装置3可沿所述内外方向活动，以作用所述活动壁1221活动，并活动于所述容置腔13内外，用于在活动至所述容置腔13外时拍摄隧道2000内环境。

在本发明的技术方案中，当所述杆体1钻入隧道2000掌子面2100，且所述随钻钻杆100的第一探测区121和第二探测区122位于所述隧道2000内的含水区时，所述隧道2000内的水体可进入所述水压传感器2内检测水压，实现对所述含水区的水压测量，得到水压信息，又所述摄像装置3沿所述内外方向活动，作用所述活动壁1221相对所述杆体1活动形成一开口，并经所述开口活动于所述容置腔13外，实现对所述隧道2000内部环境的拍摄，得到图像信息，根据所述水压信息和所述图像信息获取所述隧道2000内地质情况。本发明提供的所述随钻钻杆100结合了两种勘察手段，适用于各种复杂多变的地质环境及不良地质带的勘测，能够提升隧道2000掘进过程中的安全性和时效性，满足现阶段岩溶区的勘察需求，在保证隧道2000高效率、低风险的情况下持续推进，且操作简单。

需要说明的是，在本发明中，所述水压传感器2的类型不受限制，具体的，在本发明一实施例中，所述水压传感器2为渗压计，还可以同步测量隧道2000内部环境温度。

进一步地，所述随钻钻杆100还包括控制器，所述控制器分别与所述水压传感器2和所述摄像装置3电连接，用于接收所述水压传感器2探测生成的水压信息和所述摄像装置3探测生成的图像信息。

进一步地，所述杆体1沿其延伸方向具有探测端14和控制端，所述探测端14用于靠近钻头设置，所述水压传感器2和所述摄像装置3设于所述探测端14，所述控制器设于所述控制端；如此，在进行超前探测地质时，仅需所述探测端14随所述钻头钻入掌子面2100进行探测，避免所述控制端钻入所述掌子面2100损伤所述控制器。

具体的，所述控制器通过导线4与所述水压传感器2、所述摄像装置3电连接，且所述导线4接头处设有绝缘胶布，通过所述绝缘胶布进行密封，避免所述导线4接头因沾水锈蚀和损坏，同时提高安全性。

具体的，为了防止隧道2000内的水体通过所述探测口大量进入所述容置腔13内部，损伤导线4，影响所述水压传感器2和所述控制器的连接，因此，所述水压传感器2的尺寸与所述探测口的尺寸相适配，即所述水压传感器2封堵于所述探测口，减少进入所述容置腔13内的水量。进一步地，请参阅图4，所述探测口处设有探测网5，所述探测网5上形成有多个探测孔51，且各所述探出孔的孔径小于或等于8mm，以此避免所述探出孔的孔径过大，进而在保证能够测量水压的同时，能够进一步减少所述容置腔13的进水量，延长所述随钻钻杆100的使用寿命，提高实用性。

具体的，请参阅图2，所述容置腔13内设置有挡水板6，所述挡水板6位于所述探测端14和所述控制端之间，且沿所述杆体1的周向延伸设置；也就是说，所述挡水板6套设于所述内周壁11的外周、并套设于所述外周壁12的内周；如此，当水进入所述容置腔13内时，可通过所述挡水板6阻挡水靠近所述控制端，损伤所述控制器。

进一步地，所述挡水板6贯穿有连线孔，所述连线孔用于供所述导线4穿插，实现所述控制器与所述水压传感器2、所述摄像装置3电连接；又由于加工误差等因素，所述连接孔的孔壁与所述导线4间存在间隙，为了避免水通过该间隙流入所述挡水板6靠近所述控制器的一侧，在本发明一些实施例中，所述连线孔与所述导线4之间设有橡胶垫，以此减小间隙，增强挡水效果。

需要说明的是，所述挡水板6与所述杆体1的连接方式不受限制，可以是卡扣连接，也可以是焊接、螺纹连接等等。

具体的，请参阅图5，所述活动壁1221包括连接端12211以及活动端12212，所述连接端12211与所述外周壁12相连接，所述活动端12212可相对所述连接壁沿所述内外方向摆动；如此，在需要进行拍摄时，可驱动所述摄像装置3自第一初始位置沿所述内外方向活动，并作用所述活动壁1221，使得所述活动壁1221的活动端12212自第二初始位置处向外摆动，从而形成所述开口，所述摄像装置3经所述开口活动至所述容置腔13外至拍摄位置处进行拍摄；而在所述拍摄装置完成拍摄后，驱动所述摄像装置3向内返回至所述初始位置处，在该过程中，所述活动端12212也向内摆动返回至所述第二初始位置处，避免隧道2000内的水体经所述活动壁1221大量进入所述容置腔13内。

进一步地，所述容置腔13内还设有驱动机构，所述摄像装置3通过所述驱动机构实现沿所述内外方向活动。具体的，所述驱动机构包括电动千斤顶，所述电动千斤顶包括顶盖和电机，所述顶盖与所述摄像装置3固定连接，所述电机与所述顶盖驱动连接，用于驱动所述顶盖沿内外方向活动，所述控制器与所述电机电连接，以控制所述电机的工作状态，并还可调节所述电机的输出功率，以控制所述摄像装置3的活动速度，满足不同条件下所述摄像装置3的拍摄需求。

进一步地，当所述摄像装置3完成拍摄任务，从所述拍摄位置返回至所述初始位置后，所述活动壁1221也随所述摄像装置3进行复位，避免过多的水进入所述容置腔13内。如此，为了实现所述活动壁1221的复位，所述活动壁1221可以是弹性活动壁1221，能够在弹力作用下完成复位。当然，所述活动壁1221也可以是铝等弹性较小材质制备，如此，所述驱动机构还包括弹簧，所述弹簧设于所述容置腔13内，且对应所述活动壁1221设置，所述弹簧沿内外方向延伸，所述弹簧的一端与所述外周壁12固定连接，另一端与所述活动端12212固定，如此，在所述摄像装置3返回过程中，所述弹簧受到所述拍摄装置施加的作用力逐渐减小，其产生的弹性反作用力使得所述弹簧逐渐压缩，从而带动所述活动壁1221的活动端12212摆动，实现所述活动壁1221的复位。结构简单，成本低。

需要说明的是，各所述第二探测区122的活动壁1221的设置数量不受限制，在各所述第二探测区122，所述活动壁1221可以设置一个，所述活动壁1221也可以设置两个，甚至三个、四个等等。进一步地，在所述活动壁1221设置一个时，在所述第二初始位置时，所述活动端12212与所述外周壁12之间存在空隙，在所述活动壁1221设置两个或更多时，在所述第二初始位置时，多个所述活动端12212之间存在空隙，隧道2000内的水体可通过该空隙进入所述容置腔13内，因此，为了减少所述容置腔13的进水量，各所述活动端12212设有橡胶密封条，通过设置所述橡胶密封条减小空隙，进而减少进水量。

具体的，在本发明中，所述水压传感器2和所述摄像装置3的设置数量不受限制，更具体的，请参阅图3，在本发明的一实施例中，所述第一探测区121和所述第二探测区122分别设有两个，两个所述第一探测区121和两个所述第二探测区122沿所述杆体1的周向间隔分布，且两个所述第一探测区121沿第一方向间隔分布，两个所述第二探测区122沿第二方向间隔分布；所述水压传感器2设有两个，两个所述水压传感器2与两个所述第一探测区121一一对应设置；所述摄像装置3设有两个，两个所述摄像装置3与两个所述第二探测区122一一对应设置；所述第一方向和所述第二方向在平面内相垂直；如此，既可以扩大勘测范围，提高勘测结果的准确性，满足勘测需求，同时可以避免所述外周壁12的开孔数量过多，降低所述杆体1的强度。

需要说明的是，所述钻具1000采用如上文所述的随钻钻杆100，也即，所述钻具1000具有上述的所述随钻钻杆100的全部实施例的所有技术特征，也就具有上述全部技术特征所带来的所有的技术效果，在此不再一一赘述。

本发明还提供了一种隧道地质超前探测方法，采用上文所述钻具，请参阅图6，所述隧道地质超前探测方法包括：

步骤S100、将钻具的随钻钻头和部分随钻钻杆钻入掌子面，使得所述随钻钻杆的第一探测区和第二探测区位于所述隧道内的含水区；

步骤S200、通过位于所述第一探测区的水压传感器探测所述含水区的水压，得到所述隧道的水压信息；

步骤S300、驱动位于所述第二探测区的摄像装置自所述随钻钻杆的杆体内活动至所述杆体外进行摄像，得到所述隧道内部环境的图像信息。

如此，结合两种勘察手段，通过所述水压传感器探测的水压信息和所述摄像装置的图像信息得到所述隧道内地质情况，探测效率高，且操作简单。

需要说明的是，在本发明中，所述步骤S200和所述步骤S300的进行顺序不受限制，可以先后进行，也可以同时进行。

进一步地，在所述步骤S300后还包括：

步骤S400、所述摄像装置完成拍摄后，驱动位于所述杆体外的摄像装置返回至所述杆体内。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种随钻钻杆，用于隧道掘进过程中超前探测地质，其特征在于，所述随钻钻杆包括：

杆体，具有内周壁和外周壁，所述内周壁和所述外周壁之间形成有容置腔，所述外周壁设有第一探测区和第二探测区，所述第一探测区设有探测口，所述第二探测区包括可相对所述杆体沿内外方向活动的活动壁；

水压传感器，设于所述容置腔，并位于所述探测口，与所述探测口相适配，用于探测隧道内水压；以及，

摄像装置，设于所述容置腔，且对应所述活动壁设置，所述摄像装置可沿所述内外方向活动，以作用所述活动壁活动，并活动于所述容置腔内外，用于在活动至所述容置腔外时拍摄隧道内环境。

2.如权利要求1所述的随钻钻杆，其特征在于，所述随钻钻杆还包括控制器，所述控制器分别与所述水压传感器和所述摄像装置电连接，用于接收所述水压传感器探测生成的水压信息和所述摄像装置探测生成的图像信息。

3.如权利要求2所述的随钻钻杆，其特征在于，所述杆体沿其延伸方向具有探测端和控制端，所述探测端用于靠近钻头设置，所述水压传感器和所述摄像装置设于所述探测端，所述控制器设于所述控制端。

4.如权利要求3所述的随钻钻杆，其特征在于，所述控制器通过导线与所述水压传感器、所述摄像装置电连接，且所述导线接头处设有绝缘胶布。

5.如权利要求4所述的随钻钻杆，其特征在于，所述探测口处设有探测网，所述探测网上具有多个探测孔，且各所述探测孔的孔径小于或等于8mm。

6.如权利要求4所述的随钻钻杆，其特征在于，所述容置腔内设置有挡水板，所述挡水板位于所述探测端和所述控制端之间，且沿所述杆体的周向延伸设置；

所述挡水板贯穿有连线孔，所述连线孔用于供所述导线穿插，所述连线孔与所述导线之间设有橡胶垫。

7.如权利要求2所述的随钻钻杆，其特征在于，所述活动壁包括：

连接端，与所述外周壁相连接；以及，

活动端，可相对所述连接壁沿所述内外方向摆动；

所述容置腔内还设有驱动机构，所述驱动机构包括：

电动千斤顶，包括顶盖和电机，所述顶盖与所述摄像装置固定连接，所述电机与所述顶盖驱动连接，用于驱动所述顶盖沿内外方向活动，所述控制器与所述电机电连接；以及，

弹簧，设于所述容置腔内，且对应所述活动壁设置，所述弹簧沿内外方向延伸，所述弹簧的一端与所述外周壁固定连接，另一端与所述活动端固定连接。

8.如权利要求1所述的随钻钻杆，其特征在于，所述第一探测区和所述第二探测区分别设有两个，两个所述第一探测区和两个所述第二探测区沿所述杆体的周向间隔分布，且两个所述第一探测区沿第一方向间隔分布，两个所述第二探测区沿第二方向间隔分布；

所述水压传感器设有两个，两个所述水压传感器与两个所述第一探测区一一对应设置；

所述摄像装置设有两个，两个所述摄像装置与两个所述第二探测区一一对应设置；

所述第一方向和所述第二方向在平面内相垂直。

9.一种钻具，其特征在于，包括：

随钻钻头，具有头端和尾端；以及，

如权利要求1-8任一项所述的随钻钻杆，所述随钻钻杆连接于所述随钻钻头的尾端。

10.一种隧道地质超前探测方法，采用如权利要求9所述的钻具，其特征在于，所述隧道地质超前探测方法包括：

将钻具的随钻钻头和部分随钻钻杆钻入掌子面，使得所述随钻钻杆的第一探测区和第二探测区位于所述隧道内的含水区；

通过所述随钻钻杆的水压传感器探测所述含水区的水压，得到所述隧道的水压信息；

驱动所述随钻钻杆内的摄像装置自杆体内活动至所述杆体外进行摄像，得到所述隧道内部环境的图像信息。